清华大学在宏观尺度超润滑领域取得重大突破

近日,清华大学化工系魏飞教授团队与清华大学微纳米力学与多学科交叉创新研究中心、北京大学信息学院合作,在超润滑领域取得重大突破,在世界上首次检测到了大气环境下厘米以上长度碳纳米管管层间的超润滑现象。所实现的超润滑尺度比以前报道结果的最高值高了3个数量级,同时所得到的摩擦剪切强度比以前报道结果的最低值降低了4个数量级。相关成果以《Superlubricity in Centimetres-Long Double-Walled Carbon Nanotubes under Ambient Conditions》(大气环境下厘米级长度双壁碳纳米管上的超润滑)为标题发表在国际纳米领域权威学术期刊《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。《自然—纳米技术》还同期刊出了专题评论文章,邀请世界著名摩擦理论专家、以色列特拉维夫大学的Michael Urbakh教授对这一重大发现给予评论。

摩擦现象一直是人类面临的最具挑战性的问题之一。全世界约1/3至1/2的一次性能源由摩擦过程消耗;工业发达国家因摩擦磨损造成的损失高达GDP的5%-7%。在微观尺度,由于材料比表面积增大,使得摩擦现象更加显著。因此,随着现代制造技术的发展,当系统尺寸缩小到微纳米尺度时,界面摩擦成为制约器件性能和寿命的关键因素。解决摩擦磨损问题的根本途径是实现固体界面之间的极低摩擦甚至零摩擦,即超润滑。

超润滑(superlubricity)是20世纪90年代早期由日本学者平野元久(Motohisa Hirano)提出的,也称结构润滑(structural lubricity),它是指当晶体表面以非公度形式接触时,有可能出现界面摩擦和磨损几乎为零的现象。过去二十年中所发现的超润滑现象主要是在纳米尺度和高真空条件下实现的,实现宏观尺度上的超润滑不仅要求固体表面具有超高的模量,而且要求在宏观尺度上原子级平整,无缺陷与位错,如此苛刻的条件使得人们普遍认为大尺度下几乎不可能实现超润滑。

碳纳米管从结构上看是由石墨烯卷曲而成,由于石墨烯层间只有微弱的范德华力,所以多壁碳纳米管的管壁之间很容易发生相对滑动;另外,碳纳米管的内外管壁之间的手性结构是相互独立的,通常以非公度形式接触,这为管壁之间的超润滑提供了条件。然而,理论研究表明,当碳纳米管存在哪怕只有一个原子级别的缺陷时,其管壁间摩擦力就会急剧增大。因此,要想用碳纳米管研究宏观尺度的超润滑,必须首先制备出宏观长度且具有原子级完美结构的碳纳米管。经过近十年的努力,魏飞教授团队在碳纳米管的制备方面取得了一系列突破,制备出了长达半米长的碳纳米管,并且证明了碳纳米管在长达数厘米的范围内没有任何缺陷。相关工作曾多次发表在《先进材料》(Advanced Materials)、《美国化学会—纳米》(ACS Nano)、《材料化学》(Chemistry of Materials)等国际知名材料期刊上),这为研究宏观尺度超润滑提供了理想材料。

为了方便对超长碳纳米管进行操纵,该团队还发展了单根碳纳米管的纳米颗粒标记技术,从而实现了光学环境及扫描电镜下对大尺度单根碳纳米管的定位与操纵(相关工作发表在《自然-通讯》(Nature Communications, 2013, 4, 1727)和《纳米尺度》(Nanoscale, 2013, 5, 6584)上),这为宏观尺度超润滑现象的观察和测量提供了条件。

在上述基础上,他们首先在光学显微镜下通过用微弱气流吹动碳纳米管的方法观察到了碳纳米管管壁之间快速相对运动的奇妙现象,进而在利用扫描电镜下的微纳米操纵平台进行双壁碳纳米管内层的可控抽出,并测量了管壁间的超低摩擦力。他们发现,双壁碳纳米管的管壁之间存在着超低的摩擦力(只有1~4 nN),并且这种摩擦力与碳纳米管的长度没有关系,即无论多长的碳纳米管,其内层都可以被轻易地抽出来。他们演示了厘米长度碳纳米管(长径比为107)的内层抽出,比以前报道的实现超润滑的尺度(约10微米)提高了至少3个数量级。另外,发生相对滑动的两个表面之间的剪切强度是表征其摩擦力大小的重要参数,本研究工作中得到的碳纳米管管壁之间的剪切强度只有2~3 Pa,比之前所测得的剪切强度最小值(0.04 MPa)降低了至少4个数量级。

这项研究被审稿人称赞为:“这是一项有趣的、并且是激动人心的工作:首次从实验手段上证明了大气环境下的宏观尺度超润滑现象!这项工作以其里程碑式的新颖发现确定无疑地证明了宏观尺度超润滑的存在,我认为这是该工作最为重要和创造性的地方!毫无疑问,这是第一次观察到从微观到宏观尺度下如此低的摩擦力。我还想指出这项工作在发展实验技术方面所做出的原创性的工作。我认为这项工作对于研究和控制摩擦力做出了重大的、创造性的贡献;并且坚信,这项工作将会激发超润滑研究领域越来越多的实验研究和技术应用”。

Michael Urbakh教授在同期刊登的News中评述说:“如何实现大尺度超润滑一直是超润滑领域面临的最大挑战,作者通过展示大气环境下宏观尺度超润滑的存在而实现了这一突破。这些令人振奋的实验结果架起了引导人类对于摩擦的认识从微观尺度走向宏观尺度的桥梁。在超长碳纳米管中观察到超润滑预示了多方面的实际应用,例如超灵敏传感器、精细定位系统、陀螺仪、快速开关等。”

这项研究工作由清华大学化工系魏飞教授课题组牵头,与清华大学微纳米力学研究中心张莹莹副教授、郑泉水教授和北京大学信息学院陈清教授课题组合作完成。国家自然科学基金委员会和国家重大研究发展计划资助了这项研究。文章的第一作者为清华大学化工系博士生张如范。

来源:清华大学